Etil alkol, başta maya olmak üzere bazı mikroorganizmalar tarafından şekerin fermantasyonu sonucu meydana gelir. Alkol fermantasyonunu ilk kez Fransız Gay-Lussac, günümüzde de hala geçerli olan şu eşitlikle özetlemiştir;
C6H12O6 — 2C2H5OH + 2CO2 + 28.2 kcal
Bu genel eşitliğe göre 100 g şekerden 51.1 g etil alkol meydana gelmektedir. Ancak gerçek etil alkol verimi, teorik olarak hesaplanan verimin biraz altındadır. Çünkü fermantasyon sırasında şeker yalnızca alkol ve CO2 oluşumu için kullanılmamakta, şekerin yaklaşık % 5’i mayalar tarafından yeni hücrelerin oluşumu ve diğer yan ürünlerin oluşumu için kullanılmaktadır.
Alkol fermantasyonunun Gay-Lussac’ın belirlediği genel eşitlikteki gibi basit olmadığı ve birbirini izleyen bir seri biyokimyasal olayların son ürünü olduğu, daha sonraki araştırmalar sonucu ortaya konmuştur. Bu uzun ve karmaşık biyokimyasal olaylar sırasında açığa çıkan ürünler, fermantasyon ana ürünleri ve fermantasyon yan ürünleri olarak iki grupta toplanabilir.
• Alkol fermentasyonun ana ürünleri → Etil alkol ve karbondioksittir.
Etil alkol (etanol) C2H5OH bileşiminde renksiz, akışkan, hoş kokulu ve yakıcı tatta bir sıvıdır. Su, eter ve çok sayıda organik sıvılarla her oranda ve kolayca karışabilir. Su ile karıştırıldığında hacim küçülmesine (kontraksiyon) uğrar. Alkol doğada, etil alkol fermantasyonuna uğramış her türlü sıvıda ve çok az olmakla birlikte bitkisel ve hayvansal dokularda bulunur. Kanda 24-60 mg/l alkol bulunur. Normal bir alkol alımında bu miktar 1000 – 3000 mg/l‘ye çıkar. Kandaki alkol miktarı % 0.35-0.4 seviyesine ulaşınca aşırı bitkinlik hissedilir. Bu miktar % 7-8 olunca, öldürücü alkol zehirlenmesi ortaya çıkar.
Karbondioksit CO2 gazı renksiz, yanmayan, hafif ekşi tat ve kokuda olan, buharlaşma sıcaklığı çok düşük olduğundan, donmuş durumdaki CO2 sıvı duruma gelmeden gaz durumuna dönüşür. CO2 canlılar için zehir etkisine sahip değildir, ancak belirli miktardan fazla olduğunda insanlar ve hayvanlar üzerinde boğucu etki gösterir. Havadan ağır olan CO2 gazı, fermantasyon sırasında tabana çöker. Bu nedenle sürekli ve fazla miktarda alkol fermantasyonu yapılan yerlerde, taban CO2 akışını sağlayacak şekilde yapılmalı ya da CO2 bacaları ile havalandırma sağlanmalıdır.
• Alkol fermentasyonun yan ürünleri → Gliserin, asetaldehit, yüksek alkoller, asit ve esterlerle, metil alkoldür. Alkol fermantasyonu sırasında, fermantasyon koşullarına bağlı olarak az miktarda da olsa, bu yan ürünler de oluşur.
Alkol Fermantasyonunda Önemli Etkenler
Alkol üretiminde ham madde olarak ne kullanılırsa kullanılsın, başarılı bir fermantasyon ve yüksek verime ulaşabilmek için fermantasyona etkili olabilecek koşullar iyi seçilmelidir. Alkol fermantasyonunda söz konusu olan bu etkenlerden en önemlileri, maya, besin maddeleri, fermantasyon sıvısının pH’ı, fermentasyon sıcaklığı, şeker konsantrasyonu ve enfeksiyondur.
Maya: Mayalar şekeri etil alkole dönüştürecek enzimlerin üretiminden sorumlu tek hücreli canlılardır. Alkol üretiminde kullanılan bu mayalar, çoğalmaları için oksijene gereksinim duyan ve mevcut oksijenin tümü tükendiği zaman bile yaşamına devam edebilen ‘fakültatif anaerop’ mikroorganizmalardır. Mayalar fermantasyon sıvısında bulundukları yere göre, üst ye alt fermantasyon mayaları olarak ayrılırlar. Üst fermantasyon mayaları daha kısa zamanda, daha yüksek etil alkol üretebilen, yüksek aktivitedeki mayalardır. İspirto üretiminde kullanılan bu üst fermantasyon mayaları, Saccharomyces cerevisiae türüne ait olup, çoğu kez teknik anlamda ‘ispirto mayaları’ olarak tanımlanırlar. Ancak S.cerevisiae türüne ait her maya, ispirto üretiminde kullanılamaz. Bu amaçla kullanılacak mayalar ayrı bir özenle seçilmelidir.
Besin maddeleri: Mayalar, her canlı gibi, çoğalmaları ve yaşamalarını sürdürebilmeleri için, bazı besin maddelerine gereksinim duyarlar. İspirto üretiminde kullanılan bazı ham maddeler, mayanın gereksinim duyacağı bazı besinler yönünden yetersiz olabilir. Bu durumda maya yeterince çoğalıp, etkinlik kazanamaz ve istenen hızda etil alkol üretemez. Başlıca maya besin maddeleri; karbonhidratlar, azotlu, fosforlu ve madensel maddelerdir. Ancak bu maddelerin ortamda var olmaları yetmez, bunların mayaların yararlanabileceği yapıda bulunmaları da gereklidir.
Fermentasyon sıvısının pH’sı: Alkol fermantasyonunda kullanılan mayalar genel olarak, zayıf asit ortamda (pH 3.0-5.0) gelişip etkinlik gösterirler. Çok düşük ve yüksek pH’larda olumsuz etkilenirler. Maya üretme aşamasında, ortamın pH’sı 3.5-4.0 olacak şekilde asillendirilmeli, asıl fermantasyon aşamasında ortamın pH’sı 4.5 – 5.0 arasında olmalıdır. Fermantasyon sıvısının pH’sı sülfürik asit (H2SO4) ilavesi ile ayarlanır.
Fermentasyon sıcaklığı: Mayanın etkinliği belli bir sıcaklık aralığında en üst düzeyde olduğundan, sıcaklık fermantasyon üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Şeker konsantrasyonu: Fermantasyon sıvısı içerisindeki yüksek şeker konsantrasyonu, sebep olacağı yüksek ozmotik basınç nedeniyle, mayanın etkinliğini olumsuz yönde etkiler. Mayalar, hücre yapısındaki mikroorganizmalar olduğundan, bir hücre duvarı ile çevrilmişlerdir. Yüksek şeker konsantrasyonlarında ozmotik basıncın dengelenmesi için maya özsuyu, hücre duvarından dışarıya çekilir ve böylece mayanın zarar görmesi, hatta ölümü söz konusu olabilir. % 20’nin üzerindeki şeker konsantrasyonlarında mayanın gelişmesi ve fermantasyon gücü azalmaktadır.
Fermentasyon sırasında oluşan alkolün ozmatik basıncıda maya üzerinde etkilidir. Eğer fermente olmuş sıvıdaki alkol konsantrasyonu, tüm şeker tüketilmeden önce, maya üzerinde olumsuz etki gösterecek seviyeye ulaşırsa (% 12 alkol), kalan şeker, tüketilemez ve bu şeker atık olarak kalır.
Enfeksiyon: Fermentasyon sıvısının istenmeyen ‘kontaminant’ mikroorganizmalar ile enfeksiyonu, etil alkol veriminin azalmasının en önemli nedeni olabilir. Kontaminant mikroorganizmalar, alkole dönüşecek şekeri kullanırlar, ayrıca fermantasyon koşullarını değiştirecek enzimler üreterek çok farklı, istenmeyen ürün grupları oluştururlar. İstenmeyen mikroorganizmaların gelişmeleri, maya çoğaltma ve fermantasyon kaplarının düzenli olarak temizlenmesi ve buharlanması ile kontrol edilebilir.